摘要：采用兩種不同的熱輸入對陡坡25°X70管線鋼進(jìn)行熱絲TIG焊，采用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對接頭組織進(jìn)行觀察，并測試接頭的拉伸、彎曲、硬度以及沖擊韌性，分析兩種焊接參數(shù)的適應(yīng)性以及坡度對接頭組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，熱輸入對接頭組織類型影響不大，但影響晶粒大小，坡度影響蓋面焊粗晶區(qū)寬度以及晶粒大小，下坡口粗晶區(qū)寬度以及晶粒大小均大于上坡口；大熱輸入接頭各項力學(xué)性能均合格，小熱輸入蓋面焊趾硬度較高，導(dǎo)致彎曲開裂，上下坡口熱影響區(qū)沖擊功差別不大；建議實際工程中使用焊接效率高且接頭質(zhì)量好的大熱輸入?yún)?shù)。

關(guān)鍵詞：熱絲TIG焊； 陡坡； X70管線鋼； 顯微組織； 力學(xué)性能

中圖分類號：TG 442"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：李立英，盛學(xué)臻，高彥偉，等.陡坡X70管線鋼熱絲TIG焊接頭組織和性能［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，48（6）：226-233.

LI Liying， SHENG Xuezhen， GAO Yanwei， et al. Microstructure and properties of X70 pipeline steel welded joints with hot-wire TIG welding process at" steep slope［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（6）：226-233.

Microstructure and properties of X70 pipeline steel welded joints with

hot-wire TIG welding process at" steep slope

LI Liying1， SHENG Xuezhen1， GAO Yanwei2， LIU Le1， HAN Bin1

（1.School of Materials Science and Engineering in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580， China;

2.PetroChina （Xinjiang） Petroleum Engineering Company Limited， Karamay 834000， China）

Abstract： The hot-wire TIG welding process was used to weld the 25° X70 pipeline steel with two different heat inputs. In order to analyze the adaptability of the two welding parameters and the influence of slope on the microstructures and mechanical properties of welded joints， the microstructures of welded joints were observed with an optical microscope （OM） and a scanning electron microscope （SEM）.Meanwhile， the mechanical properties of welded joints such as tension， bending， hardness and impact toughness were measured. The results show that the heat input has little effect on the microstructure type of welded joints， but affects the grain size. The slope affects the width and the grain size in the coarse-grained heat-affected zone （CGHAZ） of the cover weld. The width and the grain size in CGHAZ of the lower groove are both bigger than those of the upper groove. The mechanical properties of welded joint with a high heat input are qualified. However， the hardness of the cover weld toe with a low heat input is high， leading to cracking of bending specimens. The HAZ impact energy at both of the upper and the lower slopes does not differ much. It is suggested that welding parameters with a high heat input， which has a high" welding efficiency and a good joint quality， should be used in practical projects.

Keywords： hot-wire TIG welding process; steep slope; X70 pipeline steel; microstructure; mechanical properties

天然氣未來將成為中國能源轉(zhuǎn)型后的主要清潔化石能源，因此對其需求量不斷增加。但中國油氣資源相對較少且分布不均勻，資源與市場不對稱，且天然氣對外依存度逐年增加，需對油氣進(jìn)行長距離運輸。管道輸送油氣具有輸送能力大且穩(wěn)定連續(xù)、建設(shè)成本低、周期短等獨特優(yōu)點^［1］，目前已經(jīng)成為油氣資源最主要的運輸方式。焊接是管道與管道連接的最經(jīng)濟最有效的方法。但是，由于熔化焊屬于金屬熔化后重新凝固的過程，若焊接方法、焊接參數(shù)選用不當(dāng)，不可避免地會在焊接區(qū)域產(chǎn)生各種焊接缺陷^［2］。鑒于中國的國情現(xiàn)狀，山區(qū)管道建設(shè)不可避免；但山區(qū)條件下，由于坡度導(dǎo)致重力對焊接質(zhì)量影響較大，如何保證大陡坡條件下焊接接頭的性能成為焊接的難點。熱絲TIG焊的送絲速度獨立于焊接電流，可以改善焊縫成型，提高焊接效率和焊接質(zhì)量，已經(jīng)在中厚板、管焊接領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛^［3-5］。但熱絲TIG焊在管線鋼全自動焊接方面的應(yīng)用卻較少。筆者采用震動送絲熱絲TIG焊對陡坡X70鋼管道進(jìn)行焊接，分析不同焊接參數(shù)的適應(yīng)性以及接頭的組織和力學(xué)性能。

1 試驗材料與方法

試驗所采用的是國內(nèi)某公司生產(chǎn)的X70鋼管，規(guī)格為Φ820 mm×12 mm，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為C 0.11%、Si 0.20%、Mn 1.61%、S 0.0004%、P 0.0007%、V 0.036%、Nb 0.045%和Ti 0.0051%。

力學(xué)性能：屈服強度小于等于485 MPa，抗拉強度小于等于570 MPa，延伸率大于等于20%。焊材所采用的是奧鋼聯(lián)伯樂生產(chǎn)的TIG焊專用焊絲。根焊是焊接接頭最易出現(xiàn)裂紋的區(qū)域，為避免產(chǎn)生裂紋，根焊、熱焊采用等強匹配；而為了保證整個焊接接頭強度，填充和蓋面位置采用高強匹配。根焊采用ER70S-6焊絲，直徑為1.0 mm；填蓋采用ER80S-6焊絲，直徑為1.0 mm，焊材化學(xué)成分如表1所示。

焊接坡口為U型，如圖1（a）所示。采用熱絲TIG焊，保護(hù)氣體為100% Ar，氣體流量均為15～20 L/min。焊接層數(shù)、道次如圖1（b）所示。模擬陡坡25°條件下焊接，焊縫高側(cè)定義為下坡口，焊縫低側(cè)定義為下坡口，如圖2所示。熱絲電流為80 A，焊接參數(shù)如表2所示。

焊接完成后，以GB/T 31032-2014標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，對接頭進(jìn)行組織分析和力學(xué)性能試驗。采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察焊接接頭組織。按照GB/T 228.1-2010和GB/T 232-2010采用微機控制電子式萬能試驗機對接頭進(jìn)行拉伸試驗和彎曲試驗。按照GB/T 4340.1-2009采用Hvs-50型維氏硬度計測定焊接接頭的硬度分布，載荷為9.8 N。按照GB/T 229-2007采用JB-500B擺錘沖擊試驗機測定接頭-20 ℃沖擊韌性。

2 試驗結(jié)果

2.1 焊接接頭組織

2.1.1 接頭宏觀形貌

圖3為焊接接頭的宏觀形貌。焊接過程先后經(jīng)歷一道根焊、一道熱焊、兩道填充焊和兩道蓋面焊。接頭宏觀金相表面無裂紋、氣孔、未熔合、夾渣等缺陷，符合宏觀金相檢驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.2 焊縫顯微組織

大熱輸入焊縫微觀組織如圖4所示，左側(cè)為光鏡（OM）形貌，右側(cè)為掃描電鏡（SEM）形貌。由圖4可見，焊縫主要是由多邊形鐵素體（PF）和準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）以及少量的針狀鐵素體（AF）和粒狀貝氏體（GB）組成，且在根焊、熱焊、填充層的多邊形鐵素體晶界處都存在黑色的蝕刻區(qū)。這是由于多邊形鐵素體在生長過程中，置換原子的遷移和碳原子重新分配使得新生成的PF和原奧氏體成分不同。其C含量超過PF的固溶度，在PF附近形成富碳區(qū)。富碳奧氏體穩(wěn)定，不會形成PF，在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成蝕刻區(qū)^［6］。李焰等 ^［7-10］研究表明，多邊形鐵素體晶界旁的蝕刻區(qū)為M-A組元的退化組態(tài)，是珠光體（P）、退化珠光體（P′）和典型貝氏體（UB，LB）的混合物。

根焊、熱焊、填充和蓋面焊焊縫均有細(xì)小彌散的第二相粒子，其主要成分為C、Mn等元素，來源于ER70S-6和ER80S-6焊絲。細(xì)小彌散的第二相粒子對位錯的運動起到釘扎作用，提高焊縫強度。相比較而言，根焊和熱焊組織差別不大，但熱焊的黑色蝕刻區(qū)明顯增多，晶粒細(xì)小，多邊形鐵素體和粒狀貝氏體含量明顯增多。蓋面焊由于缺少了后續(xù)焊道的熱處理作用，晶粒粗大，原奧氏體晶界清晰可見，在大晶粒內(nèi)部存在縱橫交錯的AF，可以有效防止位錯滑移、抵抗斷裂。在晶界處還發(fā)現(xiàn)少量鏈狀和孤島狀M-A組元，可能對韌性不利，導(dǎo)致脆斷。

小熱輸入焊縫組織形貌如圖5所示。由圖5可知，組織與大熱輸入焊縫相似，主要以多邊形鐵素體（PF）和準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）為主，以及少量的針狀鐵素體（AF）和粒狀貝氏體（GB），在多邊形鐵素體晶界有黑色蝕刻區(qū)。但是，小熱輸入焊縫晶粒不均勻，根焊明顯有許多細(xì)小的PF，熱焊中大塊的粒狀貝氏體（GB）含量增加，QF的面積明顯大于大熱輸入焊縫；大小不一的AF縱橫交錯，可以減少裂紋的蔓延；在填充焊縫的PF周圍存在許多密集的小尺寸PF，晶粒之間的尺寸差別較大。

根焊、熱焊和填充焊由于受到后續(xù)焊道的二次加熱，在晶界上存在少量的孤島狀M-A組元，且在晶粒內(nèi)析出細(xì)小彌散的第二相顆粒。蓋面焊組織大多是縱橫交錯的AF、極少量的PF以及GB，原奧氏體晶界明顯可見。

2.1.3 熱影響區(qū)顯微組織

大熱輸入粗晶區(qū)（coarse-grained heat-affected zone，CGHAZ）組織如圖6所示。粗晶區(qū)又稱過熱區(qū)，溫度范圍一般是在1100～1500 ℃，在此溫度區(qū)間，晶粒發(fā)生急劇長大，冷卻后形成粗大組織。受到焊接熱源的影響，粗晶區(qū)晶粒長大，但是熱絲TIG焊本身熱輸入較小，且根焊、熱焊、填充焊受后續(xù)焊道的熱作用，所以根焊、熱焊、填充焊粗晶區(qū)晶粒粒徑較小、寬度較窄。粗晶區(qū)主要由多邊形鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成，晶界清晰，細(xì)小的粒狀貝氏體晶界上存在孤島狀的M-A組元，呈細(xì)小彌散分布。細(xì)小彌散的M-A組元對材料的韌性影響不大^［11-13］。

根焊、熱焊、填充焊上下坡口粗晶區(qū)的晶粒相差不大，且均小于蓋面焊。蓋面焊粗晶區(qū)主要為貝氏鐵素體組織，板條傾向明顯，且在貝氏鐵素體晶界存在少量的鏈狀M-A組元，對韌性不利。坡口影響蓋面焊粗晶區(qū)的寬度和晶粒粒徑。下坡口粗晶區(qū)的寬度達(dá)到455 μm，晶粒粒徑可約達(dá)50 μm；而上坡口粗晶區(qū)的寬度只有343 μm，晶粒粒徑小于30 μm?？傊?，下坡口蓋面焊粗晶區(qū)寬度及晶粒粒徑大于上坡口。

小熱輸入粗晶區(qū)組織形貌如圖7所示。由圖7可知，兩種熱輸入粗晶區(qū)組織相似，均主要由粒狀貝氏體、多邊形鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體組成，在晶界處有細(xì)小彌散的孤島狀M-A組元。由于使用熱絲TIG焊接過程中，震動送絲，促進(jìn)熔滴進(jìn)入熔池，減少熔池表面張力，細(xì)化晶粒，再加上熱輸入很小，根焊的熱輸入為4.62 kJ/cm，填充的熱輸入為8.01 kJ/cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前管道焊接常用的焊接方法，所以根焊、熱焊和填充的粗晶區(qū)晶粒較為細(xì)小。

上坡口與下坡口組織晶粒類型沒有明顯差別。這可能是由于在坡度焊接時，熱絲TIG焊熔池冷卻較快，熔池在受到重力流向下坡口的過程中就已經(jīng)凝固，且經(jīng)過后續(xù)焊道的回火作用，晶粒不斷細(xì)化，從而導(dǎo)致上、下坡口的組織類型沒有明顯差別。但是，蓋面焊是最后工序，沒有后續(xù)焊道的回火作用，下坡口的晶粒粒徑大于上坡口。

臨界再熱粗晶區(qū)（intercritically reheated CGHAZ，IR CGHAZ）是粗晶區(qū)經(jīng)過二次熱循環(huán)形成的，其典型組織是貝氏體+沿晶界分布的鏈狀M-A組元，如圖8所示。由圖8可見，貝氏體邊界上存在大量的鏈狀M-A組元，其數(shù)量以及粒徑都遠(yuǎn)超過粗晶區(qū)。粗晶區(qū)的原奧氏體晶界和板條界為臨界粗晶區(qū)形成粗大的M-A組元提供了條件^［14］。這是因為粗晶區(qū)的非平衡組織具有一定的位向，在經(jīng)歷α+γ兩相區(qū)熱循環(huán)時，碳原子易定向擴散，促使碳濃度的非均勻性。同時，在α+γ兩相區(qū)內(nèi)，α的形成過程是一個向外排碳的過程，這時形成的γ比高溫單相γ區(qū)形成的γ具有更高的含碳量。此時，新生γ趨于穩(wěn)定，冷卻到MS點以下發(fā)生馬氏體相變，但相變不完全，含有少量殘余奧氏體，最終在晶界上形成鏈狀M-A組元。

2.2 焊接接頭性能

2.2.1 拉伸性能

X70鋼焊接接頭拉伸合格指標(biāo)為：若試樣斷在焊縫或熔合區(qū)，其抗拉強度應(yīng)不小于570 MPa，且每個試樣的斷裂面應(yīng)完全焊透和熔合；若試樣斷在母材，抗拉強度應(yīng)不小于542 MPa。拉伸曲線見圖9，拉伸試樣結(jié)果如圖10所示。大熱輸入試樣均斷在母材，且抗拉強度高于標(biāo)準(zhǔn)要求的542 MPa。小熱輸入1號試樣在熱影響區(qū)起裂，但最終在母材斷裂，2號試樣直接斷在焊縫，但抗拉強度高于標(biāo)準(zhǔn)要求的570 MPa。這是由于小熱輸入接頭，熱焊層焊縫中大塊粒狀貝氏體和多邊形鐵素體增加，導(dǎo)致接頭強度較低。由圖9可知，拉伸過程可分為3個階段：彈性變形階段、塑性變形階段和過渡階段。每條曲線的后期都表現(xiàn)為應(yīng)變增大、應(yīng)力減小，說明在拉伸過程中均存在頸縮現(xiàn)象。

2.2.2 彎曲性能

彎曲試驗結(jié)果見表3，彎曲試樣如圖11所示。大熱輸入試樣彎曲180°后，試樣表面光滑無裂紋，該焊接接頭抗彎性能良好。小熱輸入試樣表面出現(xiàn)超過3 mm的裂紋，裂紋平行于熔合線方向，該裂紋位于下坡口蓋面焊焊趾位置，蓋面焊焊趾位置為焊縫和粗晶區(qū)的交界處，晶粒異常粗大，抗彎能力差，容易發(fā)生斷裂，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3 沖擊試驗

-20 ℃沖擊試驗結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，兩種不同熱輸入接頭的平均夏比沖擊功應(yīng)不小于50 J，單個試樣的夏比沖擊功最小值應(yīng)不小于38 J，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。焊接接頭沖擊功呈現(xiàn)HAZgt;熔合線gt;焊縫的趨勢，上坡口與下坡口HAZ的沖擊功相差不大。大熱輸入焊縫與熔合線的沖擊功都優(yōu)于小熱輸入，兩者HAZ的沖擊功差別不大。HAZ沖擊試樣缺口位于等效HAZ即熔合線+1 mm的位置。由于熱絲TIG焊熱輸入小，在兩側(cè)熔合線附近的粗晶區(qū)較窄，沖擊缺口開在兩側(cè)熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)，所以沖擊功相差不大。細(xì)晶區(qū)晶粒細(xì)小，晶界數(shù)量增多，有效減緩裂紋蔓延，所以細(xì)晶區(qū)沖擊功最好；而在熱絲TIG焊下，粗晶區(qū)晶粒比較細(xì)小，組織之間縱橫交錯，阻止裂紋擴展，焊縫處組織不均勻，大塊鐵素體阻擋裂紋擴展能力較小，所以HAZ韌性較高。

2.2.4 硬度試驗

兩種不同熱輸入接頭的硬度分布如圖13（圖中，BM、HAZ和WM分別表示母材、熱影響區(qū)和焊縫）

所示。由圖13（a）、（b）可見，大熱輸入焊縫的硬度由高到低的順序為蓋面、填充、熱焊、根焊；沿水平方向根焊、熱焊和填充焊硬度分布為HAZgt;母材gt;焊縫。HAZ硬度高的位置位于細(xì)晶區(qū)。這是因為細(xì)晶區(qū)的組織是細(xì)小的多邊形鐵素體，晶粒細(xì)小，晶界面積增加，硬度增加。在熱焊、填充焊兩側(cè)HAZ有明顯的軟化現(xiàn)象，硬度低至203 HV1左右。這是由于后面的焊接過程對前面的焊道組織進(jìn)行了回火，受后續(xù)工藝二次熱輸入的影響，粗晶區(qū)的粒狀貝氏體經(jīng)過二次加熱 ，發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，粒狀貝氏體發(fā)生粗化，由碳原子富集導(dǎo)致的固溶強化，位錯富集導(dǎo)致的相變強化作用減弱，硬度降低。而蓋面層的硬度為HAZgt;焊縫gt;母材，在靠近焊縫的位置，粗晶區(qū)組織為貝氏體鐵素體，板條存在纏結(jié)的位錯，導(dǎo)致硬度明顯升高。另外，由于在多層多道焊中過熱區(qū)的形成導(dǎo)致熱焊和填充焊及填充焊之間的交界處存在明顯的硬度升高。

由圖13（c）、（d）可見，小熱輸入整體硬度分布不均勻。焊縫硬度分布為蓋面gt;根焊gt;熱焊gt;填充。蓋面焊缺少后續(xù)焊道的熱處理作用，是直接冷卻得到的鑄態(tài)組織，焊縫及其HAZ晶粒異常粗大，造成硬度升高。沿水平方向根焊、熱焊和填充焊的硬度分布為HAZgt;母材gt;焊縫。在兩層焊道交界位置硬度較高，在HAZ兩側(cè)也存在軟化現(xiàn)象。軟化是因為受后續(xù)焊道二次熱輸入的影響，粗晶區(qū)的粒狀貝氏體經(jīng)過二次加熱發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，粒狀貝氏體發(fā)生粗化，由碳原子富集導(dǎo)致的固溶強化及位錯富集導(dǎo)致的相變強化作用減弱，硬度降低^［15-17］。另外，下坡口蓋面焊趾位置存在一塊硬度較大的區(qū)域，易成為起裂源，導(dǎo)致彎曲試樣開裂。

3 結(jié) 論

（1）陡坡25°X70鋼熱絲TIG焊接頭，熱輸入對組織類型影響不大，但影響晶粒尺寸；焊縫主要為多邊形鐵素體與粒狀貝氏體；大熱輸入熱焊和填充層焊縫晶粒大小均勻，而小熱輸入不均勻；坡度影響蓋面焊粗晶區(qū)寬度及晶粒粒徑；下坡口粗晶區(qū)寬度及晶粒粒徑均大于上坡口。

（2）兩種熱輸入接頭拉伸試驗均合格，大熱輸入彎曲合格，小熱輸入彎曲試樣出現(xiàn)大于3 mm的裂紋；坡度對沖擊功影響不大，大熱輸入焊縫與熔合線沖擊功高于小熱輸入，兩者HAZ差別不大；大熱輸入焊縫硬度為蓋面gt;填充gt;熱焊gt;根焊，小熱輸入焊縫硬度為蓋面gt;根焊gt;熱焊gt;填充，且后者下坡口蓋面焊趾硬度較高。

（3）在實際工程中陡坡25°X70鋼采用熱絲TIG焊接時，建議使用焊接效率高且接頭質(zhì)量好的大熱輸入?yún)?shù)。

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（編輯 沈玉英）